(57)【要約】【課題】電動機の小型・高効率化を指向しつつ、駆動電源電圧範囲内での運転範囲を拡大する。【解決手段】回転子１００にはその周方向に並んだ界磁用磁石３１〜３４が設けられている。内周側固定子２００の歯部２０１、外周側固定子３００の歯部３０１のそれぞれの周方向の中心との、周方向での相対的な位置関係は可変である。磁束Ψａは磁石３２の外周側の磁極面（Ｎ極）から発生し、磁石３２の内周側の磁極面（Ｓ極）に戻るまでに、内周側固定子２００の歯部２０１においては、電機子巻線２０３に鎖交することなく、その幅広部２０２を経由する経路が存在する。この経路は実質的には磁石３２から内周側固定子２００へ与えられる界磁を弱める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面（１００ａ）と内周面（１００ｂ）とを含む略円筒形状を呈し、界磁用磁石（３１〜３４）を有する回転子（１００）と、
電機子巻線（２０３）が巻回された歯部（２０１，２０２）を有し、前記内周面側に設けられた内周側固定子（２００）と、
電機子巻線（３０３）が巻回された歯部（３０１，３０２）を有し、前記外周面側に設けられた外周側固定子（３００）と
を備え、
前記内周側固定子の前記歯部の周方向の中心と、前記外周側固定子の前記歯部の周方向の中心との相対的な位置関係が可変である電動機。
【請求項２】
前記内周側固定子（２００）の前記電機子巻線（２０３）と、前記外周側固定子（３００）の前記電機子巻線（３０３）とは、各相毎に直列に接続される、請求項１記載の電動機。
【請求項３】
前記界磁用磁石（３１〜３４）は前記外周面（１００ａ）と内周面（１００ｂ）との間に位置する、請求項１又は請求項２に記載の電動機。
【請求項４】
前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に沿って相対的な位置関係が可変である、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の電動機。
【請求項５】
前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿って相対的に偏芯して固定される、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の電動機。
【請求項６】
前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿って相対的な位置関係が可変である、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の電動機。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電動機を採用した圧縮機。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電動機を採用した送風機。
【請求項９】
請求項７記載の圧縮機及び請求項８記載の送風機の、少なくともいずれか一方を備えた空気調和機。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電動機を搭載した圧縮機を備える、車載用空気調和機。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電動機の動作を制御する方法であって、
少なくとも前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）の一方について、前記電機子巻線に流される電機子電流の位相が進角に設定される、電動機の制御方法。
【請求項１２】
請求項４記載の電動機の動作を制御する方法であって、
前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）との、前記円筒形状の軸方向に沿った相対的な位置関係を設定する、電動機の制御方法。
【請求項１３】
請求項６記載の電動機の動作を制御する方法であって、
前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）との、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿った相対的な位置関係を設定する、電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機の構造、及び当該構造を利用した電動機の制御技術に関する。当該電動機や制御技術は圧縮機や送風機に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
小型・高効率な電動機を実現するにあたっては、永久磁石を用いた永久磁石励磁電動機が望ましい。また、最近の環境負荷低減の社会的要望もあり、一定回転時において高効率であるのみならず、高回転での運転においても高効率な電動機や駆動装置が望まれている。
【０００３】
しかしながら、誘導電動機と異なり、永久磁石励磁電動機は回転速度に比例した逆誘起電圧が生じるために、駆動電圧の制限内において原理的に、低回転時にはトルク不足、高回転時には回転数不足が生じる。そこで一般には、電動機を使用する頻度の高い回転数を目標としてコイルの巻き線数を選定し、駆動装置全体としての一定期間内での総合効率が良い巻き線仕様の電動機を搭載する。
【０００４】
このような原理的制約の中にありながら、小型・高効率を維持しつつ運転範囲を拡大させる技術が提案されている。例えば特許文献１には、回転子の上下端に電磁石を配置し、低速回転時には永久磁石を増磁させる方向（以下「強め界磁」と言う）に電磁石を励磁させることでトルクを増大させ、高速回転時には逆誘起電圧を減少させるために永久磁石を減磁させる方向（以下「弱め界磁」と言う）に電磁石を励磁する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、高速回転領域での弱め界磁制御は行わず、低速回転領域での強め界磁のみで運転範囲を拡大する技術が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、回転子が径外側ロータと径内側ロータとに分割されており、回転方向での相対位置を機械的に変化させることで、通電せずに弱め界磁制御を実現可能とする技術が開示されている。
【０００７】
特許文献４では、上記相対位置を変化させる機構を、これにクラッチ機構を採用することによって簡素化した電動機が開示されている。
【０００８】
特許文献５では、方向性電磁鋼板の圧延方向による透磁率異方性を有して磁気抵抗を調整するプラグを用い、弱め界磁電流を流すことなく、かつ連続的に弱め界磁を微調整する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３４９０３３０号公報
【特許文献２】特開２００４−２６０９７０号公報
【特許文献３】特開２００２−５８２２３号公報
【特許文献４】特開２００４−３２０８６４号公報
【特許文献５】特開平９−２３３８８７号公報
【特許文献６】特願２００５−５３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら特許文献１に開示された電動機では、運転範囲を拡大することは可能であるものの、強め界磁や弱め界磁に使用する電磁石へ通電する電流によって銅損が上昇するため、運転効率が低下する。
【００１１】
特許文献２の開示例では、永久磁石の漏れ磁束を制御できれば効果が望めるものの、その制御は具体的な技術が開示されていない。制御可能であったとしても補助ステータコイルに通電する電流による銅損が発生するため、第２永久磁石を用いずにその体積分を第１永久磁石として使用した通常の永久磁石励磁電動機に比べると、低速時の運転効率は低下する。
【００１２】
特許文献３では、その実施の形態の１例を示す（特許文献３の）図２から判るように、部分円弧状溝が磁化困難領域を形成しているため磁気抵抗が増大する。これは永久磁石の鎖交磁束を減少させるので、弱め界磁を行わない領域での運転効率は、通常の永久磁石埋め込み型電動機に比較して低下する。また変形された態様を示す図４、５から明らかなように、この変形では先に言及した図２の溝部はないものの、磁極数８に対して半分の４極の突極からなる径内側ロータを用いている。突極数４に限らず、原理的に円周（３６０度）に対して半分（１８０度）しか磁路を形成できない。よってこの変形においてすら、弱め界磁を行わない領域での運転効率は、通常の永久磁石埋め込み型電動機に比較して低下する。
【００１３】
更に、他の変形された態様として当該文献に図６、７の開示がある。これらから明らかなように、径内側ロータに埋込磁石ロータが用いられている。この態様であれば先記態様とは異なり、弱め界磁制御を行わない領域での永久磁石の鎖交磁束は低下することはない。しかしながら永久磁石の使用量、乃至は厚みがおおよそ２倍になっている。よって、弱め界磁を行わない領域での運転効率は、同等の厚みの永久磁石を使用した場合の通常の永久磁石埋め込み型電動機に比較して低下する。更に、その点を除いても、弱め界磁制御時に永久磁石が直接面対抗するために、お互いが強い減磁界にさらされるために、非可逆減磁の恐れがある。
【００１４】
特許文献４に記載された電動機でも、特許文献３の図４、５で示された電動機形状を採用するために、同様の課題が生じる。
【００１５】
特許文献５では、その図３にもあるように、透磁率の異方性の幅が磁界強度に依存するという問題がある。磁界強度が１［Ｏｅ］≒７９．６［Ａ／ｍ］での透磁率比は０．００２５：０．０１８程度で７倍弱と見て取れる。しかし磁界強度が３［Ｏｅ］≒２３８．８［Ａ／ｍ］での透磁率比は０．００５：０．００７程度で１．４倍であり、１０［Ｏｅ］≒７９６［Ａ／ｍ］での透磁率比は０．００２：０．００１８程度で１．１倍程度となる。
【００１６】
特許文献５のステータ本体７の材料については言及がないが、小型化のために高性能な無方向性電磁鋼板を使用したとしても、先ほどの磁界強度Ｈ＝１、３、１０［Ｏｅ］での磁束密度はそれぞれＢ＝０．７、１．３、１．４８［Ｔ］程度である。即ち、体格の大きな電動機設計でステータが０．７［Ｔ］程度の動作点で使用されるならば、磁気抵抗調整プラグによる弱め界磁は可能である。
【００１７】
しかしながら、電動機の小型化やコストダウンを指向する場合、ステータの磁束密度に余裕を持たせることは望ましくない。磁束密度を少なく見積もって仮にこれが１．３［Ｔ］であるとしても、透磁率比は１．４倍程度しか得られない。永久磁石の起磁力に対する磁気抵抗への寄与は、まず永久磁石自身が大きく、次いでエアギャップであり、ステータヨークの磁気抵抗の割合は少ない。更にヨーク部の磁路長の方が磁気抵抗調整プラグよりも長いので、磁気抵抗調整プラグの磁気異方性への寄与度は更に低下する。よって、磁束密度を高く設計する場合では、ステータにおいて弱め界磁を調整する幅が少ない。
【００１８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電動機の小型・高効率化を指向しつつ、駆動電源電圧範囲内での運転範囲を拡大することを目的とし、あるいは更に電動機の振動を低減することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明にかかる電動機の第１の態様は、外周面（１００ａ）と内周面（１００ｂ）とを含む略円筒形状を呈し、界磁用磁石（３１〜３４）を有する回転子（１００）と、電機子巻線（２０３）が巻回された歯部（２０１，２０２）を有し、前記内周面側に設けられた内周側固定子（２００）と、電機子巻線（３０３）が巻回された歯部（３０１，３０２）を有し、前記外周面側に設けられた外周側固定子（３００）とを備える。そして前記内周側固定子の前記歯部の周方向の中心と、前記外周側固定子の前記歯部の周方向の中心との相対的な位置関係が可変である。
【００２０】
この発明にかかる電動機の第２の態様は、電動機の第１の態様であって、前記内周側固定子（２００）の前記電機子巻線（２０３）と、前記外周側固定子（３００）の前記電機子巻線（３０３）とは、各相毎に直列に接続される。
【００２１】
この発明にかかる電動機の第３の態様は、電動機の第１の態様又は第２の態様であって、前記界磁用磁石（３１〜３４）は前記外周面（１００ａ）と内周面（１００ｂ）との間に位置する。
【００２２】
この発明にかかる電動機の第４の態様は、電動機の第１乃至第３の態様のいずれかであって、前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に沿って相対的な位置関係が可変である。
【００２３】
この発明にかかる電動機の第５の態様は、電動機の第１乃至第４の態様のいずれかであって、前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿って相対的に偏芯して固定される。
【００２４】
この発明にかかる電動機の第６の態様は、電動機の第１乃至第４の態様のいずれかであって、前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）とは、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿って相対的な位置関係が可変である。
【００２５】
この発明にかかる電動機は、圧縮機、送風機に適用でき、当該圧縮機や送風機は空気調和機に適用できる。
【００２６】
また、本発明にかかる電動機は、巻回数に依存せずに回転数の微調整を行うことができるので、例えば４２Ｖ以下等の、低電圧で動作する車載用空調機の圧縮機に適している。
【００２７】
この発明にかかる電動機の制御方法の第１の態様は、電動機の第１の態様乃至第４の態様の動作を制御する方法であって、少なくとも前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）の一方について、前記電機子巻線に流される電機子電流の位相が進角に設定される。
【００２８】
この発明にかかる電動機の制御方法の第２の態様は、電動機の第４の態様の動作を制御する方法であって、前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）との、前記円筒形状の軸方向に沿った相対的な位置関係を設定する。
【００２９】
この発明にかかる電動機の制御方法の第３の態様は、電動機の第６の態様の動作を制御する方法であって、前記回転子（１００）と、前記内周側固定子（２００）及び前記外周側固定子（３００）との、前記円筒形状の軸方向に垂直な方向に沿った相対的な位置関係を設定する。
【発明の効果】
【００３０】
この発明にかかる電動機の第１の態様においては、界磁用磁石から内周側固定子の歯部に与えられる界磁と、界磁用磁石から外周側固定子の歯部に与えられる界磁との間の位相差が可変となる。よって内周側固定子や外周側固定子の電機子巻線に供給される電機子電流を制御することなく、弱め界磁を等価的に実現することができる。従って弱め磁束電流による銅損の上昇や、負のｄ軸電流による界磁用磁石の減磁も発生しない。しかも内周側固定子と外周側固定子との相対的な位置関係は、界磁用磁石のｄ軸に対する電機子電流の位相とは独立に設定できるので、トルクも別個に制御することができる。
【００３１】
この発明にかかる電動機の第２の態様においては、誘起電圧が不均衡となっても環状電流が流れず、損失を低減できる。
【００３２】
この発明にかかる電動機の第３の態様においては、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも利用することができる。
【００３３】
この発明にかかる電動機の第４の態様及びこの発明にかかる電動機の制御方法の第２の態様においては、回転子と、内周側固定子及び外周側固定子とが対向する面積が減少するので、機械的な弱め界磁制御をより得ることができる。しかも両者の間で軸方向の吸引力が生じるため、軸方向への振動を抑制することもできる。
【００３４】
この発明にかかる電動機の第５の態様においては、回転子と、内周側固定子及び外周側固定子との間に、軸方向と直角方向に、ある程度安定した並進力が生じるので、軸方向と直角方向への振動を抑制できる。
【００３５】
この発明にかかる電動機の第６の態様及びこの発明にかかる電動機の制御方法の第３の態様においては、電機子巻線に誘起する誘起電圧や電流波形の不均衡を計測することで偏芯量を調整することができる。
【００３６】
この発明にかかる電動機の制御方法の第１の態様においては、内周側固定子と外周側固定子との相対的な位置関係と独立して、通常の弱め界磁と同様の制御が行われるので、高速回転領域での運転効率が向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
第１の実施の形態．
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を例示し、回転軸方向に対して垂直な断面図である。回転子１００は外周面１００ａ及び内周面１００ｂを備え、内周面１００ｂ側には内周側固定子２００が、外周面１００ａ側には外周側固定子３００が、それぞれ設けられている。回転子１００の内外に固定子を設けることにより、巻線スロットの全断面積を増大させることができる。
【００３８】
図２は回転子１００の構成を例示し、回転軸方向に対して垂直な断面図である。外周面１００ａ及び内周面１はいずれも環状を呈する。ここでは両者は同心円を呈しているが、必ずしも真円である必要はなく、設計上の変更は適宜に可能である。例えば誘起電圧の高調波を軽減する目的で、部分的に偏芯し、偏肉形状を採っていてもよい。
【００３９】
回転子１００はその周方向に並んだ界磁用磁石３１〜３４が設けられている。界磁用磁石３１〜３４は、外周面１００ａ側と内周面１００ｂ側とにそれぞれ異なる磁極面を交互に呈している。即ちここでは回転子１００として極対数が２である永久磁石回転子が採用された場合が例示されている。
【００４０】
ここでは回転子１００として、いわゆる埋込磁石型の回転子が例示されており、換言すれば界磁用磁石３１〜３４は外周面１００ａと内周面１００ｂとの間に位置している。このような埋込磁石型の回転子では、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも利用することができる。
【００４１】
界磁用磁石３１〜３４から得られる磁束が内周側固定子２００や外周側固定子３００に対して、界磁として有効に与えられるためには、当該磁束が回転子１００の内部で短絡しないことが望ましい。かかる目的のため、界磁用磁石３１の両端には空隙２１，２２が、界磁用磁石３２の両端には空隙２３，２４が、界磁用磁石３３の両端には空隙２５，２６が、界磁用磁石３４の両端には空隙２７，２８が、それぞれ設けられている。空隙２１〜２８には非磁性体が充填されることは、回転子１００の機械的強度を向上する観点で望ましい。
【００４２】
空隙２１〜２８は回転子１００を、ｄ軸磁束のみならずｑ軸磁束も通る第１部分１１〜１４と、主としてｑ軸磁束が通り第２部分１５〜１８に区分する。第１部分１１〜１４にはそれぞれ界磁用磁石３１〜３４が回転子１００のコアと共に存在し、第２部分１５〜１８には回転子１００のコアが存在する。ここで便宜上、第１部分１１〜１４のうち、界磁用磁石３１〜３４よりも外周面１００ａ側にあるコアを外周コア１１ａ〜１４ａ、内周面１００ｂ側にあるコアを内周コア１１ｂ〜１４ｂと称する。
【００４３】
図１に戻り、界磁用磁石３１，３３がＳ極の磁極面を、界磁用磁石３２，３４がＮ極の磁極面を、それぞれ外周側固定子３００に向けて呈している場合が例示されている。外周側固定子３００は径方向に延在する歯部３０１を有しており、その先端（回転子１００側）は周方向に広がって幅広部３０２を形成している。同様に、内周側固定子２００は径方向に延在する歯部２０１を有しており、その先端（回転子１００側）は周方向に広がって幅広部２０２を形成している。歯部２０１，３０１にはそれぞれ電機子巻線２０３，３０３が巻回される。
【００４４】
回転子１００と外周側固定子３００とは主としてその歯部３０１を介して磁束が流入出し、回転子１００と内周側固定子２００とは主としてその歯部２０１を介して、磁束が流入出する。図１では界磁用磁石３１〜３４による磁束Ψａ，Ψｂを矢印を用いて例示している。
【００４５】
図３は回転子１００にｄ軸磁束φｃが流れる様子を概念的に示す図であり、図４は回転子１００にｑ軸磁束φａ，φｂが流れる様子を概念的に示す図であり、いずれも図２の断面図に対応している。
【００４６】
ｄ軸磁束φｃは界磁用磁石３１，３３と、界磁用磁石３２，３４との間を流れる。よってｄ軸磁束φｃはほぼ第１部分１１〜１４のみを流れることになる。
【００４７】
ｑ軸磁束φａは第１部分１１〜１４、より具体的には外周コア１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａを流れる。しかし更にｑ軸磁束φｂが第２部分１５〜１８をも流れる。よって第２部分１５〜１８の周方向の幅Ｗ（図２参照）を拡げることは、ｑ軸インダクタンスＬｑを増大させてリラクタンストルクを大きくする観点からは望ましい。
【００４８】
内周側固定子２００は電機子巻線２０３が巻回される電機子であり、これは回転子としない方が望ましい。もし回転子１００の内側の電機子を回転子とすると、機械的な整流子が必要となる他、外側の電機子である外周側固定子３００と相対的に回転することになる。この相対的な回転はいずれかの電機子の、回転子１００の界磁に対する相対回転数を減少させ、電動機の効率の低下を招来してしまう。またこの相対的な回転はｑ軸磁束φｂの経路を乱し、リラクタンストルクの変動を増大させ、その利用が困難となる。
【００４９】
図５は回転子１００、内周側固定子２００、外周側固定子３００の間を拡大して部分的に示す断面図である。図５において歯部２０１Ｕ，３０１Ｕはそれぞれ内周側固定子２００、外周側固定子３００の歯部２０１，３０１であって、Ｕ相電流が流される電機子巻線２０３，３０３が巻回される。図５では回転子１００、内周側固定子２００、外周側固定子３００の中心がいずれも中心Ｑに一致する場合が例示されている。但し後述するように、このような中心の一致は必ずしも必要ではない。
【００５０】
本発明において、内周側固定子２００の歯部２０１Ｕの周方向の中心と、外周側固定子の歯部３０１Ｕの周方向の中心との相対的な位置関係は可変であり、図５では角度αだけずれている場合が例示されている。より具体的には、外周側固定子３００の歯部３０１Ｕの中心の周方向の位置を基準として、内周側固定子２００の歯部２０１Ｕの中心は反時計回りを正の方向として角度αだけずれており、この角度αは正負も含めてその値が可変に設定される。
【００５１】
このような可変の角度αの設定は、電動機の使用前に、もしくは使用中において、機械的に行うことができる。例えば電動機の使用前にマニュアルで位置ずれを起こさせてもよいし、使用中にはサーボモータ等のアクチュエータで位置ずれを起こさせてもよい。
【００５２】
なお、角度θは回転子１００の外周側固定子３００を基準とした回転子１００の回転角であって、Ｎ極を呈する界磁用磁石３２（あるいは界磁用磁石３４）の中心が、外周側固定子３００の歯部３０１Ｕの中心から正の方向にずれる角度である。
【００５３】
図１に戻り、磁束Ψａは磁石３２の外周側の磁極面（Ｎ極）から発生する磁束を、磁束Ψｂは磁石３３の外周側の磁極面（Ｓ極）から発生する磁束を、それぞれ示している。図１や図５に示されるような角度αの位置ずれが生じているので、磁束Ψａが磁石３２の内周側の磁極面へ戻るに際しては、外周側固定子３００のヨークまで歯部３０１を経由して電機子巻線３０３に鎖交するものの、内周側固定子２００の歯部２０１においては、電機子巻線２０３に鎖交することなく、その幅広部２０２を経由する経路が存在する。同様にして、磁束Ψｂが磁石３３の内周側の磁極面へ戻るに際して、内周側固定子２００の歯部２０１を経由して電機子巻線２０３に鎖交するものの、外周側固定子３００の歯部３０１においては、電機子巻線３０３に鎖交することなく、その幅広部３０２を経由する経路が存在する。
【００５４】
これらの経路は実質的には磁石３２，３３からそれぞれ内周側固定子２００及び外周側固定子３００へ与えられる界磁を弱めることとなる。つまり上述の位置ずれは、実質的な弱め界磁制御である弱め磁束制御を機械的に実現している。このようにして、弱め磁束電流を流すことなく弱め磁束制御が実現でき、高出力領域での効率向上が達成できる。図１では機械角として３０度、電気角として６０度に相当する位置ずれが示されている。
【００５５】
この実施の形態によれば、弱め磁束電流による銅損の上昇や、負のｄ軸電流による界磁用磁石の不可逆減磁も発生しない。しかも内周側固定子２００と外周側固定子３００との相対的な位置関係は、界磁用磁石３１〜３４のｄ軸に対する、電機子電流の位相とは独立に設定できる。従って、銅損を小さくしつつトルクも別個に制御することができ、駆動電源電圧の範囲内で弱め界磁が採用される、高速回転領域での運転効率を向上させ、高回転化による運転範囲の拡大に資する。
【００５６】
なお、外周側固定子３００及び内周側固定子２００のどちらで電機子電流の位相角を進めるかについては、回転角θを回転子１００の回転方向と同一方向に採るか、反対方向に採るかで切り替えることができる。
【００５７】
特に回転子１００として埋込磁石型回転子を採用すれば、界磁用磁石３１〜３４を回転子１００に保持する手法も簡便であるので、コスト低減にも資する。更にリラクタンストルクをも利用できるので、電機子電流の位相を進角側に設定してもトルクが高く、高速回転領域での運転範囲を拡大し易い。
【００５８】
また回転子１００に対して内周側固定子２００と外周側固定子３００の双方を設けることにより、巻線スロットの全断面積を増大させ、低速回転領域でのトルクや効率も向上させることができる。
【００５９】
このように、内外の電機子の相互の位置関係を調整することで弱め磁束制御を行うことは、特に電動機を小型化する場合に好適である。上述のように、特許文献５には方向性電磁鋼板の圧延方向による透磁率異方性を利用し、固定子に調整用のプラグを埋め込んでいる。しかしこれは固定子自体の磁束密度を損なってしまうため、電動機の小型化の観点からは望ましくない。
【００６０】
なお、弱め磁束制御の際には歯部の幅広部２０２，３０２の磁束密度が上昇するので、幅広部２０２，３０２での鉄損は上昇する。しかし幅広部２０２，３０２以外の歯部２０２，３０２を通過する磁束密度は減少するので、より長い磁路における鉄損を低減できるため、電動機の総鉄損は低減する。
【００６１】
また本実施の形態にかかる電動機では、同一の電流を用いても回転数を微調整することが容易であるので、電動機が低圧で動作する使用である場合に好適である。低圧で動作する電動機では巻線の巻回数が小さくなるため、巻回数を変更して微調整を行うことは容易ではない。巻回数の変更は離散的な数値の制御であるからである。
【００６２】
図６は回転子１００、内周側固定子２００、外周側固定子３００を備えた電動機の断面図であり、回転中心を含む断面を概念的に示している。回転子１００は端板１０２を介して回転軸１０３に連結されており、回転軸１０３は軸受け１０４，１０５によって支持されている。内周側固定子２００、外周側固定子３００はそれぞれ支持部２０４，３０４によって支持されている。また内周側固定子２００、外周側固定子３００には、それぞれ電機子巻線２０３，３０３が巻回されている。図１は、図６中の位置Ｉ−Ｉにおいて、支持部２０４，３０４及び電機子巻線２０３，３０３を省略した断面図に相当する。
【００６３】
図７及び図８は電機子巻線２０３，３０３（図１参照）が接続される態様を例示する回路図である。図７及び図８に示されたコイル２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗは、それぞれ電機子巻線２０３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルであり、コイル３０３Ｕ，３０３Ｖ，３０３Ｗは、それぞれ電機子巻線３０３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルである。
【００６４】
図７及び図８は、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続されている場合を示した。本実施の形態ではこのような直列結線及び並列結線のいずれの態様をも採用できる。
【００６５】
図７及び図８は、スター結線を採用し、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続されている場合を示した。本実施の形態ではこのような直列結線及び並列結線のいずれの態様をも採用できる。もちろん、図９及び図１０のように、デルタ結線を採用し、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続してもよい。但し、デルタ結線を採用すると誘起電圧の不均衡による環状電流は銅損を大きくするので、スター結線を採用して電機子巻き線２０３，３０３は各相毎に直列に接続されていることが望ましい。
【００６６】
図７乃至図１０のいずれの結線方法を用いても、一つのインバータにて上述の電動機を駆動することができるので、電機子巻線２０３，３０３に対してそれぞれ個別に電機子電流を流す場合には二つのインバータが必要であることに鑑みれば、コストは少なくて済む。
【００６７】
また内周側固定子２００、外周側固定子３００の回転子１００のｄ軸に対する同時刻での位置関係が異なる。よって一つのインバータからは電機子電流が各相毎で共通した一つの位相ずれで出力されるにも拘わらず、電動機に対しては内周側固定子２００と外周側固定子３００とで電流位相をほぼ任意に異ならせて、回転磁界を供給することができる。つまり弱め界磁制御とトルク制御をほぼ個別に制御し易い。
【００６８】
本実施の形態にかかる電動機では、例えば４２Ｖ以下等の、低電圧で動作する車載用の空調機の圧縮機にも適している。適用機種などによって必要とされる冷房能力が異なる場合において、４２Ｖ等の低電圧で動作する電動機では巻線の巻回数が極めて小さくなる。そして巻回数は離散的な値でしか変更できないので、これを変更することで最高回転数や最大トルクなどを調整することは困難である。
【００６９】
他方、本実施の形態にかかる電動機では、運転条件と内外の固定子のずれを示す角度αとの関係を調整することにより、最高回転数や最大トルクを調整することが容易である。従って角度αの制御のみを異ならせるだけで他機種に対応することができる。
【００７０】
もちろん、通常の空調機の圧縮機や送風機に、本発明にかかる電動機を搭載し、圧縮や送風の効率を向上させることができる。よって当該圧縮機や送風機の少なくともいずれか一方を備えた空気調和機は、空調効率を高めることができる。
【００７１】
住宅の断熱性の向上と、低環境負荷への対応という社会的要求もあり、低負荷領域での運転時間が増大している。他方、急速に冷房を立ち上げるための能力を確保すべく、最高回転数を大きくする要求もある。このように低負荷時に効率が高く、最高回転数が大きいという要求に対して、本発明にかかる電動機やその制御方法は好適である。
【００７２】
さて、内外の電機子の相互の位置関係を調整することで、弱め磁束制御を行えることを磁束や電圧のフェーザからみて説明する。回転子１００から内周側固定子２００、外周側固定子３００に与えられる界磁となる磁束をそれぞれφｉ，φｏとする。また内周側固定子２００についての回転子１００のｄ軸方向をｄｉ軸、外周側固定子３００についての回転子１００のｄ軸方向をｄｏ軸とする。
【００７３】
図１１は内周側固定子２００の、外周側固定子３００に対するずれ角度αが０度である場合の磁束φｉ，φｏのフェーザを示す図である。角度αが０度であるので、ｄｉ軸とｄｏ軸とは一致する。よって電動機全体としてみたときの界磁となる磁束φａの大きさは、磁束φｉ，φｏのそれぞれの大きさの和となる。
【００７４】
他方、図１２はずれ角度αが正となる場合の磁束φｉ，φｏのフェーザを示す図である。この場合、ｄｏ軸はｄｉ軸に対して角度Ｐ・α（Ｐは回転子１００の極対数）でずれるため、磁束φａの大きさは、磁束φｉ，φｏのそれぞれの大きさの和よりも小さくなる。よって電動機全体としてみたときの界磁が弱められることとなる。
【００７５】
より詳細には、内周側固定子２００、外周側固定子３００のいずれの電動機においても電機子電流が流れるので、磁束φｉ，φｏのみならず、電機子電流とｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスを考慮した仮想的な磁束を電動機全体としてみた界磁の磁束として捉えることとなる。
【００７６】
図１３及び図１４は、いずれも電機子電流を考慮した場合の磁束のフェーザを示す図であり、それぞれ角度αが０，正の場合を示している。それぞれの図において二本の破線はベクトルの平行移動を示している。電動機全体としてみた仮想的な磁束Φａは、図１４に示される方が、図１３に示される方よりも短い。
【００７７】
なお、内周側固定子２００と回転子１００とで得られるインダクタンスのうち、ｄｉ軸成分をｄ軸インダクタンスＬｄｉ、これと位相が直交する成分をｑ軸インダクタンスＬｑｉとした。同様に、外周側固定子３００と回転子１００とで得られるインダクタンスのうち、ｄｏ軸成分をｄ軸インダクタンスＬｄｏ、これと位相が直交する成分をｑ軸インダクタンスＬｑｏとした。また内周側固定子２００の電機子電流のうちｄｉ軸成分を電流Ｉｄｉ、これと位相が直交する成分を電流Ｉｑｉとし、外周側固定子３００の電機子電流のうちｄｏ軸成分を電流Ｉｄｏ、これと位相が直交する成分を電流Ｉｑｏとした。
【００７８】
但し内周側固定子２００と外周側固定子３００との間でも回転子１００を介して磁束が流れるため、ｄ軸インダクタンスＬｄｉ、ｑ軸インダクタンスＬｑｉの算出については外周側固定子３００の影響による相互インダクタンスを考慮し、ｄ軸インダクタンスＬｄｏ、ｑ軸インダクタンスＬｑｏの算出については内周側固定子２００の影響による相互インダクタンスを考慮することが望ましい。
【００７９】
このように電機子電流を考慮した場合であっても、仮想的な磁束Φａは角度αのずれによって小さくできることが判る。仮想的な磁束Φａは、電動機に発生する電圧を回転子の回転角θの時間微分ωと、極対数Ｐとで除した値であるので、これを小さくすることにより、電動機はこれに与えられる駆動電源の電圧による制限の下で、高速に運転することができる。
【００８０】
更に、内外の電機子の位置をずらせながらも、電機子電流の位相βをずらせることによって弱め界磁を別途にえることも可能である。例えば、内周側固定子２００に流れる電機子電流の電流位相βｉを１０度とし、外周側固定子３００に流れる電機子電流の電流位相βｏを７０度とし、それぞれにおいて進相を呈する電機子電流で弱め界磁を行いたい場合には、角度αと極対数Ｐの積Ｐαを６０度に選定すればよい。このようにすれば、一つの電流供給回路から得られる電流を内周側固定子２００と外周側固定子３００に流す電機子電流として共通に採用しつつも、両者において個別の電流位相で通常の弱め界磁を行うことができる。
【００８１】
以上、本発明の効果である弱め界磁制御を行う際の、内外固定子の機械的位置制御と電機子電流の位相βとの関係について説明した。以下では、駆動電源の電圧の上限に余裕がある場合における最大トルク制御、ないしは最大効率制御について補足する。
【００８２】
外周側固定子３００と回転子１００との間、内周側固定子２００と回転子１００との間の各々において、最大発生トルク、または最大効率を実現する電流位相（以下、いずれの場合についても「最適電流位相」として表記する）が存在する。
【００８３】
外周側固定子３００の電機子電流についての最適電流位相と、内周側固定子２００の電機子電流についての最適電流位相とが、ほぼ等しい場合が考えられる。顕著な磁気飽和がなく、それぞれの電機子巻線へ入力するアンペアターンが等しい場合である。これは例えば、電機子巻線の巻数が外周側固定子３００と、内周側固定子２００とで同一であって、これらの電機子巻線が相互毎に直列に接続されている場合に実現できる。
【００８４】
他方、それぞれの電機子へ入力するアンペアターンが異なれば、マグネットトルクとリラクタンストルクとの発生比率が外周側固定子３００と、内周側固定子２００とで異なるため、二つの最適電流位相は異なる。
【００８５】
内周側固定子２００についての最適電流位相から、外周側固定子３００についての最適電流位相を差し引いた値をδとし、外周側固定子３００を基準とした内周側固定子２００の位置ずれを示す角度αをδ／Ｐ（Ｐは上述の極対数）に選定する。そして二つの最適電流位相をそれぞれの固定子毎に採用した運転を行えば、高いトルク領域、または高い効率が必要とされる負荷領域（例えば長時間に亘って運転される定格負荷領域）にも対処できる。
【００８６】
また上記二つの最適電流位相が等しければδ，αともに零となり、歯部２０１，３０１の周方向についての中心は一致させ、同じ最適電流位相で運転すればよい。
【００８７】
上述した最大効率運転よりも、高速回転での運転が優先的に求められる運転領域では、｜α｜＞｜δ／Ｐ｜とする。効率よりも運転範囲の拡大を優先させ、一方の固定子が回転子１００の界磁を弱めるように運転する、既述の弱め界磁制御を行えばよい。
【００８８】
この場合、いずれかの固定子の電流位相βは最適電流位相とはならないので、最大効率運転時と比較して運転効率は低下する。しかし機械的な弱め界磁制御運転は、通常のような弱め界磁電流のみの弱め界磁制御と比較すると、効率が同等な運転で比較すれば運転範囲（回転数ないしは発生トルク）の拡大化という観点で優れている。他方、出力が同等な運転で比較すれば、弱め界磁電流を低くできるので、運転効率の観点で優れているといえる。
【００８９】
第２の実施の形態．
図１５は本発明の第２の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図であり、回転中心を含む断面を概念的に示している。第１の実施の形態において図６を用いて説明された構成とは、回転子１００と、内周側固定子２００及び外周側固定子３００とが、回転子１００の円筒形状の軸方向に沿って相対的な位置関係が可変である点で特徴的に異なっている。図１５では回転子１００及び端板１０２、回転軸１０３が軸受け１０４から軸受け１０５へと向かう方向に変移していることが図示されている。
【００９０】
かかる構成を有する電動機では、回転子１００と、内周側固定子２００及び外周側固定子３００とが対向する面積が減少する。これにより機械的な弱め界磁制御をより一層得ることができる。しかも両者の間で軸方向の吸引力が生じるため、軸方向への振動を抑制することもできる。
【００９１】
かかる振動の抑制は、例えば当該電動機を用いて空調機用の冷媒圧縮機の回転軸方向への振動を抑制する。他方、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等、回転して読み書き（あるいはその一方）される記録媒体を回転駆動する場合にも有用である。後者に適用される場合には、ＤＶＤの上下方向の振動を低減することにより、読み取り（あるいは書き込み）エラーを削減することが可能である。
【００９２】
軸方向の吸引力を発生させるために回転軸方向の相対位置を過度にずらすと、界磁の磁束量が低下して運転効率の低下を招く可能性があるため、そのずらす位置の選定には慎重を要する。しかしながら、負荷状態などの運転状態に応じて可変とする制御を行うことも可能であり、総合的な運転効率の向上と低振動化が可能となる。
【００９３】
第３実施の形態．
図１６は本発明の第３の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図であり、回転中心に垂直な断面を概念的に示している。第１の実施の形態において図１を用いて説明された構成とは、回転子１００と、内周側固定子２００及び外周側固定子３００とが、回転子１００の軸方向と垂直な方向に沿って相対的な位置関係が可変である点で特徴的に異なっている。図１６では回転子１００の中心Ｑ２と、内周側固定子２００及び外周側固定子３００とに共通する中心Ｑ１とが示されている。かかる相対的な位置は偏芯して固定されてもよいし、可変であってもよい。
【００９４】
偏芯して固定される場合には、回転子１００と、内周側固定子２００及び外周側固定子３００との間に、軸方向と直角方向に、ある程度安定した並進力が生じるので、軸方向と直角方向への振動を抑制できる。例えば当該電動機を用いて冷媒圧縮機の回転軸方向と直角方向への振動を抑制する。ＤＶＤを駆動する場合にもディスク平面方向の振動を低減でき、読み取り（あるいは書き込み）エラーを削減することが可能である。
【００９５】
電動機の回転軸１０３の軸受け１０４，１０５に焼結含油軸受け等を用いた場合、回転軸１０３の外径と軸受け１０４，１０５内径の間に存在する油による楔効果にて潤滑する。軸受け１０４，１０５の内径に対する安定した偏芯量の確保は軸受け１０４，１０５の磨耗を低減するのに非常に重要であり、軸受け１０４，１０５の寿命は汎用電動機の寿命決定要因の筆頭である。よって上記の振動抑制は、電動機の、引いては当該電動機を採用する製品の寿命を長くする観点からも有用である。
【００９６】
また、相対的な位置関係が可変である場合には、電機子巻線に誘起する誘起電圧や電流波形の不均衡を計測することで偏芯量を調整することができる。一般に電動機において回転子と固定子の中心を整合させるいわゆる「芯出し」を行う際、実際の工業生産においては機械的な精度を高めておいて組み立てる方法が一般的であり、本当に芯出しが目標通り行えている保証はない。そこで、例えば回転軸１０３の軸受け１０４、１０５の外径を楕円としておいて、軸受け１０４，１０５が回転することで回転子１００と内周側固定子２００及び外周側固定子３００との間での、回転軸方向に対して直角な方向の相対位置を変化させることが好適となる。即ち、電動機を組み立てた後に、電機子巻線２０３，３０３に誘起する誘起電圧や電流波形の不均衡を計測することで偏芯量を調整し、芯出しを行うことが可能となる。そして軸受けの形態１０４，１０５や負荷変動の種類によっては、芯出しを行うことで振動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる回転子の構成を示す断面図である。
【図３】回転子にｄ軸磁束が流れる様子を概念的に示す図である。
【図４】回転子にｑ軸磁束が流れる様子を概念的に示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる回転子と固定子の位置関係を示す平面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態において電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態において電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態において電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態において電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるフェーザを示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態におけるフェーザを示す図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態におけるフェーザを示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態におけるフェーザを示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体の構成を示す平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態にかかる磁性体の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１００  回転子
２００  内周側固定子
２０１，３０１  歯部
２０３，３０３  電機子巻線
３００  外周側固定子
【図１】
2006352953.tif 000003
【図２】
2006352953.tif 000004
【図３】
2006352953.tif 000005
【図４】
2006352953.tif 000006
【図５】
2006352953.tif 000007
【図６】
2006352953.tif 000008
【図７】
2006352953.tif 000009
【図８】
2006352953.tif 000010
【図９】
2006352953.tif 000011
【図１０】
2006352953.tif 000012
【図１１】
2006352953.tif 000013
【図１２】
2006352953.tif 000014
【図１３】
2006352953.tif 000015
【図１４】
2006352953.tif 000016
【図１５】
2006352953.tif 000017
【図１６】
2006352953.tif 000018